無人機交通管理支持城市空中交通的發展

李悅霖

航空工業成都飛機設計研究所， 四川省 成都市 610091

導讀：無人機的廣泛應用引發世界各政府、管理機關的極大關注，積極推動無人機交通管理的研究、立法等相關工作。其研究成果將積極支持城市空中交通的發展。

無人機交通管理項目

圍繞無人機、商用航天器和城市空中交通工具的新空中交通管理(ATM) 建設正在成型，目前統稱為“非傳統型”進入空域的飛行器。

美國宇航局(NASA) 領導的無人機系統交通管理(UTM) 項目，旨在為無人機開發一個低空交通管理系統，使商業無人機服務供應商(USS) 能夠管理無人機在低空空域的運營，運營內容包括新聞采集和包裹投送等。項目于2014年啟動，目前美國宇航局正在內華達州里諾和德克薩斯州科珀斯克里斯蒂演示無人機飛行的最終技術能力等級4(TCL4) ，測試將持續到2019年8月。

無人機系統交通管理的開發工作已轉移到美國聯邦航空局，美國聯邦航空局于年初在內華達州、北達科他州和弗吉尼亞州指定了三個無人機試驗場，演示在無人機系統交通管理集成試點項目下的原型無人系統。今年6月，無人機系統交通管理在協調400ft以下小型無人機交通方面取得了進展。

優步的無人機交通管理方案

在華盛頓舉行的優步Elevate峰會上，與會者表示，從無人機交通管理系統的研發中吸取的經驗教訓，將有助于為城市空中交通飛行器創建一個類似的系統。

優步航空工程總監湯姆·普里沃特表示，從優步公司的角度來看，優步管理無人機的方式與管理小型載客車輛的方式差別不大，這些無人機最初將配備飛行員。

優步的設想是，無人機在非常確定的飛行路徑上飛行，采用結構化的航路，預先從其他飛機上解飛，共享同一空域，如果從直升機機場起飛，將非常接近于真正的無人機。此外，優步還準備進軍其他航空領域，將推出更大的空運機，因此優步正在努力以期與這些概念相整合。

空中交通管理試點計劃

無人機系統集成試點計劃(IPP) 旨在幫助美國聯邦航空局(FAA) 制定新法規，以便將無人機安全可靠地集成到國家空域系統中。美國聯邦航空局代理行政官Dan Elwell 此前曾談到美國聯邦航空局如何與無人機創新者和運營商合作。美國聯邦航空局已選定 10個州、地方政府作為該計劃的參與者，提案范圍包括邊境保護和運送食品包裹到部署無人機系統，支持超視距操作無人機在邊遠社區運行，在偏遠地區進行管道檢查和測量，在惡劣的氣候條件下進行救援等。這些提議旨在幫助確定如何更好地運用無人機技術，以及如何整合美國各種類型和規模的用戶。

美國運輸部長趙小蘭在最近的一次主題演講中表示，UPP計劃“將為無人機提供飛行計劃、通信、(飛機) 分離和天氣服務，無人機將在400ft以下運行。該系統獨立于傳統的聯邦航空局空中交通管理系統，但與之相輔相成，有助于建立一個共享的信息網絡和維護空中安全的框架。這將使城市空中交通系統真正受益，因為它們將在這一空域內運行。從無人機包裹投遞中收集的數據將可能證明在車輛、系統、程序和基礎設施的開發方面是有用的，甚至可以用來搭載和運送乘客?！?/p>

趙小蘭補充說，優步正在參與宇航局的無人機系統交通管理計劃和美國聯邦航空局的無人機系統集成試點計劃(UPP) ，該計劃最初由美國運輸部于2018年5月指定10個公私合作伙伴組成。佛羅里達州邁爾斯堡的李縣蚊蟲控制區曾是該項目的牽頭機構之一，但已退出項目。

在無人機系統交通管理試點項目下，優步正在尋求美國聯邦航空局的豁免，允許其根據135部使用小型無人機的規定，開展119部的補償或雇傭航空公司業務，計劃在圣地亞哥運送食品包裹。

優步航空工程總監普雷沃特表示：“所有這些為我們想進一步追求空中出租車的空域一體化模式奠定了基礎，我們希望利用從無人機交通管理過程中吸取的經驗教訓，與聯邦航空局合作，將無人機交通管理的結構擴展到城市空中交通類型的操作，以使我們能夠快速地擴大規模?！?/p>

谷歌母公司Alphabet的子公司Wing公司已經開始在赫爾辛基開展送貨試驗，作為目前在澳大利亞堪培拉運營的商業服務的后續。

以色列的Flytrex公司將在冬季結束后的幾周內重啟在冰島的商業送貨。該公司首席執行官亞里夫·巴什表示，2018年該公司向雷克雅未克的13個地點提供了快遞服務，今年夏天將提供“數十個地點”的快遞服務。

下一個目標是美國的Wing和Flytrex計劃在今年晚些時候，在美國聯邦航空局的無人機系統集成試點計劃下開始送貨。Wing公司將在弗吉尼亞州西南部運營，Flytrex公司將在北卡羅來納州運營。

在無人機系統集成試點計劃下，Flytrex將在羅利郊區的霍利泉懸停并將食物放在后院。Flytrex公司首席執行官稱，集成試點計劃“是一個轉折點”，計劃2020年時擴大業務。Flirtey公司于2016年7月在美國進行了美國聯邦航空局批準的首次無人機送貨飛行，將藥物運送到弗吉尼亞州農村的一家診所，并計劃2020年時在集成試點計劃的框架下開始在內華達州里諾市運送自動除顫器和商業包裹。

單一歐洲天空ATM研究

單一歐洲天空ATM研究(SESAR) 項目在芬蘭灣U空間項目的首次試驗從6月開始，在赫爾辛基進行了“城市無人機艦隊在警察干預下的行動”演示驗證。8月22日，無人機將在芬蘭托爾巴卡和愛沙尼亞穆拉斯特之間的海灣上空進行包裹投遞等7種操作場景演示，包括無人和有人飛機的混合組合。

圖1 在Uber Elevate峰會上，一架Uber Eats外賣無人機在日產LEAF零排放汽車上。

芬蘭灣U-Space項目

圖2 今年夏天，歐洲芬蘭灣U-space項目將演示7種無人機操作方案

SESAR把U-space描述為一種面向服務的體系結構，其中，空中導航服務提供商(ANSP) 和U-space服務提供商(USSP) 通過全系統的信息管理系統(或SWIM、發布-訂閱、數據共享平臺) 進行通信。U-space服務提供商通過基于SWIM的飛行信息管理系統(FIMS) 訪問航空、天氣和飛行信息。

據SESAR項目，擬議中的數據交換層可能受制于一個由空中導航服務提供商擁有的中央體制，該體制向U-space服務提供商提供獨特的服務。芬蘭灣項目不僅解決了從飛行信息管理系統到U-space服務提供商的連接問題，還提出了將無人系統與選定的U-space服務提供商服務連接起來的開放行業標準。

邁特公司發布商業太空運營概念架構

5月初，研究機構邁特公司(Mitre) 公布了一個商業太空運營的概念架構，設想“地對空”交通管理、高空飛行規則以及使用“任務代理”幫助公司獲得發射許可。

在一次由美國商會主持的圓桌會議活動上，邁特公司首席系統工程師迪安·福爾默描述了這一架構，即在基于動態分離標準的高空飛行規則下，結構化交通流量將在空域過渡區實施，該過渡區為地表以上6萬英尺到33萬英尺的卡門線邊界。

迪安·福爾默表示，由于在過渡區運行的空中車輛性能非常多樣化，且該地區的位置報告或監視能力有限，隨著用戶數量的不斷增加，需要預先協調以實現安全隔離。

迪安·福爾默補充說，高空規則和結構將確保對于進入該空域的新用戶和傳統用戶都是安全和有效的，預計在這一過渡區的業務將有10倍的增長潛力，包括熱氣球、無人駕駛飛機系統、超聲速和高超聲速飛行器都在這一區域活動。未來將超過6萬英尺空域。

邁特公司計劃在發射地點——美國宇航局位于弗吉尼亞州海岸的沃洛普斯飛行設施——與工業界和政府利益相關者建立伙伴關系，在建模和仿真環境中合作開發“可執行架構”。

巴航工業建議開發新的城市空中交通管理方案

巴航工業“市場加速器”子公司Embraerx建議，需要一個城市空中交通管理(UATM) 系統來彌補傳統空中交通管制與未來城市UAM車輛的自主ATM之間的差距。

根據在新澤西州亞特蘭大市舉行的美國空中交通管制協會(ATCA) 技術研討會上介紹的概念，UATM系統將以正在為美國、歐洲和其他地方的小型無人機開發的UTM概念為基礎，涉及ANSP的監督，但由第三方城市空域服務提供商執行。

在5月15日的研討會上，EmbraerX業務開發總監兼UATM負責人戴維·羅特布拉特表示，如果空中交通行業繼續按預期擴大規模，加上常規航空公司和通航交通在內，基于語音通信來管理這一龐大體量將難以為繼，將可能成為限制該行業增長的因素?！?/p>

戴維·羅特布拉特說：“在社區、監管機構和數據顯示無人駕駛交通管理已經為客機做好準備之前，我們建議需要一種城市空中交通管理的變體來填補這一空白?！?/p>

在2018年5月的Uber Elevate峰會上，EmbraerX公布了一款電動垂直起降飛機，預計2021年開始試飛。該電動垂直起降飛機是一架能載4名乘客的有人駕駛飛機。

圖3 EmbraerX 電動垂直起降飛機在城市環境下運行想像圖

圖4 無人機交通管理支持城市空中交通的發展

戴維·羅特布拉特說：“只要繼續有提供城市空中機動飛行的試點飛機，預計在未來幾年這一情形將持續，我們必須創建一個空中交通管理解決方案，以滿足飛機和航電能力的最低共同區間，解決方案將隨著時間的推移而不斷發展”。

UATM系統方案

在UATM系統中，空中導航服務提供商將監督服務提供商的網絡，或將這一責任委托給第三方，類似于美國聯邦航空局對小型無人機的低空授權和通知能力(LAANC) ，后者被認為是完整UTM系統的組成部分。

通過LAANC程序，商業運營商可以申請授權，使用美國聯邦航空局指定的服務供應商提供的應用程序，在機場附近受控空域駕駛無人機。這些應用程序將飛行計劃與美國聯邦航空局設施地圖上的空域網格匹配，該地圖描繪了無人機可以安全飛行的預先批準區域和高度。

城市開展城市空中機動行動所需的6項服務為：空域程序設計、動態空域管理、飛機流量管理(間距) 、系統用戶之間的信息交換、確保航班符合飛行計劃的一致性監測以及飛行授權。

例如，在動態空域管理的情況下，城市空域服務提供商將使用預先定義的一套空域結構，根據交通需求、天氣條件、緊急情況或其他需要改變結構或操作程序的情況，開放、關閉或移動航線。

城市空域服務提供商也是城市空中機動空域的管理機構，無論是第三方還是空中導航服務提供商，將負責確保城市空域中的所有利益相關者按照一套共同的規則和程序工作。

UAM市場研究舉例——天氣狀況

博思艾倫咨詢公司高級首席技術專家科琳·萊切在ATCA研討會上發表的一篇技術論文中提到，博思艾倫咨詢公司評估了10個城市的季節性天氣狀況以確定城市空中交通管理的潛在運營限制。天氣問題是博思艾倫咨詢公司為宇航局航空研究任務委員會開展的城市空中交通管理市場調查的一部分。

科琳·萊切表示，通過關注歷史天氣觀測，計算了影響條件的季節平均值，考察了這10個城市發生不同天氣現象的頻率。

這項研究收集的數據包括來自每天兩次發射氣象探測氣球時的垂直氣象探測數據、機場和其他地點每小時的氣象機場地面狀況報告，以及飛行員觀察到的情況報告。之后，研究人員計算了從上午7點到下午6點的城市空中交通管理車輛預計運營日不同天氣現象的頻率。

以舊金山和奧克蘭為例，強地面風超過了20km。下午在舊金山國際機場出現的頻率明顯高于奧克蘭，這表明在舊金山灣西側，風對城市空中交通的影響可能更大。該研究評估了不同地點之間的差異，匯總結果以評估季節差異。在不同的天氣條件和頻率下，影響評分從1(最低) 到10(最高) 不等。

科琳·萊切指出，首先要注意的是，大約一半的城市空中交通管理運營日可能會受到幾個城市地區的天氣影響，特別是在紐約、丹佛和達拉斯。如果從季節性角度看，大多數城市地區，尤其是東北部、德克薩斯州和丹佛市的大部分地區，在冬季和春季會有大量受影響的時間。

作為更廣泛的城市空中交通管理市場研究的一部分，加州大學伯克利分校對五個城市的1700名受訪者進行了一項調查，以評估公眾對城市空氣交通的看法。調查顯示，人們對在惡劣天氣中飛行“普遍感到擔憂”。

關于人們是否做好準備“應對”城市空中機動，博思艾倫咨詢公司認為，大眾很可能只是準備好接受近期內空中出租車在有限地點和有限的范圍運行。 ■